CN113547761B - 一种纤维型仿生三维波动结构复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纤维型仿生三维波动结构复合材料及其制备方法，其制备方法包括：首先，对单向纤维树脂基预浸料布进行剪裁，得到多片预浸料裁剪布；其次，将多片预浸料裁剪布按预设的铺层角依次叠放铺设，得到预浸料叠层；接着，将预浸料叠层放置在预设的仿生波动结构模具中，并在这二者的接触面均匀涂覆脱模剂；再者，进行热压浸渍和固化；最后，在处于预设的气压和温度时，脱模得到仿生三维波动结构复合材料。该复合材料仿大齿猛蚁上颚波动结构，由不同铺层角的若干波动纤维层叠放铺设而成，而波动纤维层包括若干并列排布的波动纤维。本发明设计的复合材料能够具有优异的抗冲击性能、复合材料层间结合强度高、冲击缺陷面积小以及成形简单等优点。

Description

一种纤维型仿生三维波动结构复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料制备技术领域，尤其涉及一种纤维型仿生三维波动结构复合材料及其制备方法。
背景技术
纤维树脂基复合材料具有低密度、高比强度、高比模量、耐疲劳等优异特性，是一种重量轻、强度大的功能材料。航空航天、汽车制造等领域对结构材料强度、韧性及轻量化性能要求也在不断提升。飞机机翼和机身蒙皮承受着较大的外部载荷等问题，为了增强结构强度和提高使用寿命，复合材料被大量使用。车用碳纤维复合材料从车身、内外饰等外覆盖件材料逐渐向底盘、动力总成系统等结构增强材料延伸，提高结构强度的同时使车整体减重，可以有效减少运行能耗。
纤维树脂基复合材料虽然具有以上众多优点，但在局部位置上受到冲击载荷作用时容易引起分层损坏，主要因为碳纤维增强体和相对较弱的基体之间的界面强度低，最终导致层间开裂，使复合材料强度降低，大量的复合材料结构失效都与分层损伤密切相关，这极大地限制了复合材料部件结构的整体性应用和带来不可预知的风险。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种纤维型仿生三维波动结构复合材料及其制备方法，其解决了复合材料部件受到冲击载荷作用时容易分层损坏的技术问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
第一方面，本发明实施例提供一种纤维型仿生三维波动结构复合材料的制备方法，包括：
对单向纤维树脂基预浸料布进行剪裁，得到多片预浸料裁剪布；
将所述多片预浸料裁剪布按预设的铺层角依次叠放铺设，得到预浸料叠层；
将所述预浸料叠层放置在预设的仿生波动结构模具中，并在所述预浸料叠层与仿生波动结构模具的接触面均匀涂覆脱模剂；
对仿生波动结构模具中的所述预浸料叠层进行热压浸渍和固化；
在处于预设的气压和温度时，脱模得到仿生三维波动结构复合材料。
可选地，对单向纤维树脂基预浸料布进行剪裁，得到多片预浸料裁剪布包括：
将单向纤维树脂基预浸料布剪裁为8～64片的预浸料裁剪布，各片所述预浸料裁剪布的厚度为0.02～0.25mm；
其中，所述单向纤维树脂基预浸料布是以热固型环氧树脂为基体，且树脂基体固化度为20％～60％的单向预浸料布；所述纤维为碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、芳纶纤维以及超高分子量聚乙烯纤维中的一种。
可选地，将所述多片预浸料裁剪布按预设的铺层角依次叠放铺设，得到预浸料叠层包括：
依据对称铺层的铺设方式和预设的多个铺层角，将所述多片预浸料裁剪布依次铺贴得到预浸料叠层；
各铺层角满足如下公式：
[θ/θ+k/....../θ+nk]NS
其中，各铺层角按由上向下的顺序写出，各铺层角之间用“/”分开，全部铺层用[]括上，θ表示第一层预浸料裁剪布的铺层角为θ°，即为第一铺层的纤维轴向方向与第二铺层的纤维轴向方向之间的夹角；θ+k表示第二层预浸料裁剪布的铺层角为θ°+k°，k为预设的间隔角度，θ°≥0°，θ°+nk°≤180°；n表示除第一层之外的其他铺层个数，N表示连续重复铺层的次数，S表示对称铺贴。
可选地，所述仿生波动结构模具是选用铝基材料和铣削加工工艺，仿制生物内层波动结构，将表面形貌加工成正弦曲线结构的平面或曲面三维模具；
所述仿生波动结构模具满足以下公式：
Figure GDA0003615079620000031
其中，A为波幅，表示纵向拉伸/缩短的倍数(A>0)，ω为角频率，即横向拉伸/缩短的倍数(ω>0)，
Figure GDA0003615079620000032
为相位，
Figure GDA0003615079620000033
初相，即当x＝0时的相位，表示波形与X轴横向移动距离(向左
Figure GDA0003615079620000034
或向右
Figure GDA0003615079620000035
平行移动
Figure GDA0003615079620000036
个单位)；T为波长，即最小正周期T＝2π/|ω|，表示正弦函数曲线每相隔T个单位重复出现，K为波幅与波长的比值，K的取值范围为0.05～0.5。
可选地，对仿生波动结构模具中的所述预浸料叠层进行热压浸渍和固化包括：
将放置有所述预浸料叠层的仿生波动结构模具设置于热压浸渍和固化装置上；
通过所述装置进行热压浸渍，此时所述装置控制温度从室温升至80～100℃，提供的挤压力为1～5MPa，保压40～60min；
通过所述装置进行热压固化，此时所述装置控制温度升至120～130℃，提供的挤压力为1～10MPa，保压50～90min。
可选地，所述预设的气压和温度分别为常压和60℃以下。
可选地，在处于预设的气压和温度时，脱模得到仿生三维波动结构复合材料之后，还包括：
将两个仿生三维波动结构复合材料的波动面采用黏合剂粘接，形成两面平整中间具有仿生三维波动结构的复合材料；
或，
将仿生三维波动结构复合材料的波动面采用硬材料或软材料填充粘接，形成表面平整的仿生三维波动结构复合材料。
可选地，
所述黏合剂是环氧树脂黏合剂、酚醛树脂黏合剂、聚氨酯树脂黏合剂中的一种；
所述硬材料是刚性环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂材料中的一种；
所述软材料是柔性树脂、橡胶、碳纤维、芳纶纤维材料中的一种。
另一方面，本发明实施例还提供一种纤维型仿生三维波动结构复合材料，通过如上所述的方法制备而成，所述仿生三维波动结构复合材料仿大齿猛蚁上颚波动结构，由不同铺层角的若干波动纤维层叠放铺设而成，而所述波动纤维层包括若干并列排布的波动纤维。
可选地，所述波动纤维的波动形为正弦弧形、圆弧形、椭圆弧形以及抛物线弧形中的一种。
(三)有益效果
本发明公开的一种纤维型仿生三维波动结构复合材料及其制备方法，能够减小复合材料的损伤程度，在冲击碰撞中有效地提高抗冲击性能；同时仿生三维波动结构复合材料层间接触表面积的增大，增强复合材料层间结合程度，减少复合材料的缺陷面积。
附图说明
图1-1为本发明提供的大齿猛蚁生物原型图；
图1-2为本发明提供的大齿猛蚁上颚端齿示意图；
图1-3为本发明提供的大齿猛蚁上颚端齿波动结构示意图；
图1-4为本发明提供的大齿猛蚁上颚弧形纤维交叠波动结构示意图；
图2-1为本发明提供的大齿猛蚁上颚端齿的张开状态示意图；
图2-2为本发明提供的大齿猛蚁上颚端齿的闭合状态示意图；
图3为本发明提供的一种纤维型仿生三维波动结构复合材料的制备方法的流程示意图；
图4-1为本发明提供的仿生三维波动结构复合材料的三维示意图；
图4-2为本发明提供的仿生三维波动结构复合材料的侧视图；
图5为本发明提供的仿生三维波动结构复合材料的正弦函数示意图；
图6-1为本发明提供的仿生波动重合结构模具的侧视图；
图6-2为本发明提供的单面仿生波动梯度结构模具的侧视图；
图6-3为本发明提供的两面仿生波动梯度结构模具的侧视图；
图7为本发明提供的仿生三维波动结构复合材料热压成型装置示意图；
图8为本发明提供的普通复材与波动复材的冲击后表面形貌对比图；
图9为本发明提供的普通复材与波动复材的冲击后压缩侧面形貌对比图；
图10为本发明提供的普通复材与波动复材的冲击后缺陷面积对比图。
【附图标记说明】
1：0°铺层角；
2：90°铺层角；
3：正弦曲线波幅；
4：正弦曲线波长；
5：上模具；
6：脱模剂；
7：仿生三维波动结构复合材料；
8：下模具；
9：上压板；
10：下压板；
11：45°铺层角的普通复材；
12：45°铺层角的仿生三维波动重合结构复材；
13：12°铺层角的普通复材；
14：12°铺层角的两面仿生三维波动梯度结构复材。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本发明中的复合材料的设计优化原理参考自然界的大齿猛蚁的上颚结构。大齿猛蚁是自然界上颚闭合速度最快的食肉性动物之一，大齿猛蚁属，筑巢于石头下或腐烂的木头下，图1-1示出了大齿猛蚁生物原型。如图1-2所示，大齿猛蚁具有左右上颚，左右上颚均具有3个端齿，结合图1-3可知，波动结构源自大自然中大齿猛蚁上颚最长端齿齿尖的内层结构，这种内层结构具有独特而复杂的波动结构。在其轴向断面(yz面)和横向断面(xz面)均具有相同波动结构，进一步说明了这是一种三维正弦波动结构。由图1-4可知，波动结构由弧形纤维交叠构成，这种致密结构赋予了其超常的硬度和韧性，有着优秀的抗冲击和稳定性能。大齿猛蚁拥有非常快的攻击速度，能在0.18毫秒内合嘴咬中猎物，其速度相当于每小时108～216千米。参考图2-1与图2-2所示的大齿猛蚁张开与咬合的状态，大齿猛蚁咬合时还十分有力，上颚的咬合力能达到其体重的200倍，甚至能将自身弹离数十厘米之远，生物材料在多个尺度上的复杂结构允许其兼顾匹配的强度、韧性和刚度，且重量很轻。通过模拟这些结构及其设计原理，使仿生复合材料实现类似的综合性能。
图3为本发明提供的一种纤维型仿生三维波动结构复合材料的制备方法的流程示意图，如图3所示，本发明实施例提出的一种纤维型仿生三维波动结构复合材料的制备方法，其包括：首先，对单向纤维树脂基预浸料布进行剪裁，得到多片预浸料裁剪布；其次，将多片预浸料裁剪布按预设的铺层角依次叠放铺设，得到预浸料叠层；接着，将预浸料叠层放置在预设的仿生波动结构模具中，并在预浸料叠层与仿生波动结构模具的接触面均匀涂覆脱模剂；再者，对仿生波动结构模具中的预浸料叠层进行热压浸渍和固化；最后，在处于预设的气压和温度时，脱模得到仿生三维波动结构复合材料。
本发明公开的仿生三维波动结构复合材料及其制备方法，能够减小复合材料的损伤程度，在冲击碰撞中有效地提高抗冲击性能；同时仿生三维波动结构复合材料的层间接触表面积的增大，增强复合材料层间结合程度，减少复合材料的缺陷面积。
为了更好地理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
具体地，本发明提供的一种纤维型仿生三维波动结构复合材料的制备方法，包括：
S1、对单向纤维树脂基预浸料布进行剪裁，得到多片预浸料裁剪布。
进一步地，本发明将单向纤维树脂基预浸料布剪裁为8～64片的预浸料裁剪布，该预浸料裁剪布的形状包括长方形、圆形和其他不规则形状。各片预浸料裁剪布的厚度为0.02～0.25mm。其中，单向纤维树脂基预浸料布是以热固型环氧树脂为基体，且为20％～60％；而纤维选自碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的一种。
在一具体实施例中，本发明选用的单向纤维树脂基预浸料布，是以热固型环氧树脂为基体，该基体是将E44环氧树脂与聚酰胺固化剂混合均匀得到；其中，E44环氧树脂：聚酰胺固化剂＝3：1，该比例为质量比，且为45％～55％，纤维为碳纤维。预浸料布裁剪成边长分别为150×100mm的长方形片，剪裁数量为32片。
S2、将多片预浸料裁剪布按预设的铺层角依次叠放铺设，得到预浸料叠层。
进一步地，依据对称铺层的铺设方式和预设的多个铺层角，将多片预浸料裁剪布依次铺贴得到预浸料叠层；
各铺层角满足如下公式：
[θ/θ+k/....../θ+nk]NS
其中，各铺层角按由上向下的顺序写出，各铺层角之间用“/”分开，全部铺层用“[]”括上，θ表示第一层预浸料裁剪布的铺层角为θ°，即为第一铺层的纤维轴向方向与第二铺层的纤维轴向方向之间的夹角；θ+k表示第二层预浸料裁剪布的铺层角为θ°+k°，即为第二铺层的纤维轴向方向与第三铺层的纤维轴向方向之间的夹角；k为预设的间隔角度，θ°≥0°，θ°+nk°≤180°；n表示除第一层之外的其他铺层个数，N表示连续重复铺层的次数，S表示对称铺贴。
在一具体实施例中，本发明采用[0/90/45/-45]4s的铺设方式，得到预浸料叠层，其中，按由上向下的顺序写出各铺层角，铺层角用“/”分开，全部铺层用“[]”括上，如铺层为[0/90]2s，0表示第一层预浸料裁剪布的铺层角为0°铺层，90表示第二层预浸料裁剪布的铺层角为90°铺层，2表示连续重复铺2层，S表示对称铺贴。参见图4-1与图4-2，图中示出了按照0°铺层角1和90°铺层角2分别铺设的预浸料裁剪布。
S3、将预浸料叠层放置在预设的仿生波动结构模具中，并在预浸料叠层与仿生波动结构模具的接触面均匀涂覆脱模剂6。
仿生波动结构模具是选用铝基材料和铣削加工工艺，仿制生物内层波动结构，将表面形貌加工成正弦曲线结构的平面或曲面三维模具；
仿生波动结构模具的操作满足以下公式：
Figure GDA0003615079620000081
其中，A为波幅，表示纵向拉伸/缩短的倍数(A>0)，ω为角频率，即横向拉伸/缩短的倍数(ω>0)，
Figure GDA0003615079620000082
为相位，
Figure GDA0003615079620000083
初相，即当x＝0时的相位，表示波形与X轴横向移动距离(向左
Figure GDA0003615079620000084
或向右
Figure GDA0003615079620000085
平行移动
Figure GDA0003615079620000086
个单位)；T为波长，即最小正周期T＝2π/|ω|，表示正弦函数曲线每相隔T个单位重复出现，K为波幅与波长的比值，K的取值范围为0.05～0.5。
在一具体实施例中，图5为本发明提供的仿生三维波动结构复合材料的正弦函数示意图，如图5所示，铣削加工的波动上下模具均为采用正弦函数y＝sin(2×π/10x+π/2)曲线的上下模具波动表面相同正弦曲线的仿生波动重合结构模具，正弦曲线波幅3和正弦曲线波长4比值设置为0.2。参见图6-1和图7，本发明选用铝基材料，将预浸料叠层放置在涂覆脱模剂6的仿生波动结构模具的上模具5和下模具8表面。
S4、对仿生波动结构模具中的预浸料叠层进行热压浸渍和固化。
进一步地，步骤S4包括：
S41、将放置有预浸料叠层的仿生波动结构模具设置于热压浸渍和固化装置上；
S42、通过装置进行热压浸渍，此时装置控制温度从室温升至80～100℃，提供的挤压力为1～5MPa，保压40～60min；
S43、通过装置进行热压固化，此时固化装置控制温度升至120～130℃，提供的挤压力为1～10MPa，保压50～90min。
在一具体实施例中，如图7所示，本发明通过上压板9和下压板10的液压升降移动，先进行热压浸渍，固化装置的温度为80℃，提供的挤压力为2MPa，保压50min；再进行热压固化，固化装置的温度为120℃，提供的挤压力为5MPa，保压70min；热压固化结束后，缓慢恢复常压，降温至60℃以下脱模得到仿生三维波动结构复合材料7。
S5、在处于预设的气压和温度时，脱模得到仿生三维波动结构复合材料。其中，预设的气压和温度分别为常压和60℃以下。
同时，步骤S5之后，还包括：
将两个仿生三维波动梯度结构复合材料的波动面采用黏合剂粘接，形成两面平整中间具有仿生三维波动结构的复合材料。
或，
将仿生三维波动结构复合材料的波动面采用硬材料或软材料填充粘接，形成表面平整的仿生三维波动结构复合材料。
在另一具体实施例中，本发明选用单向纤维树脂基预浸料布，是热固型环氧树脂为基体，将E44环氧树脂与聚酰胺固化剂混合均匀得到，E44环氧树脂：聚酰胺固化剂＝3：1，的比例为质量比，树脂基体固化度45％～55％的单向预浸料布；纤维选自碳纤维；预浸料布裁剪成边长分别为150×100mm的长方形片，剪裁数量为32片；参见图4-1与图4-2，铺设方式为[0/12/…/168/180]s，得到预浸料叠层。参见图5，铣削加工的波动上模具5采用正弦函数y＝sin(2×π/7.5x+π/2)曲线，波幅3和波长4比值设置为0.27，波动下模具8采用正弦函数y＝sin(2×π/12.5x+π/2)曲线，波幅3和波长4比值设置为0.16，组成上下模具波动表面不同正弦曲线的两面仿生三维波动梯度结构模具；选用铝基材料，参见图6-2和图6-3，将预浸料叠层放置在涂覆脱模剂6的波动上模具5和下模具8表面；参见图7，通过上压板9和下压板10的液压升降移动，先进行热压浸渍，固化装置的温度为85℃，提供的挤压力为4MPa，保压60min；再进行热压固化，固化装置的温度为125℃，提供的挤压力为6MPa，保压80min；热压固化结束后，缓慢恢复常压，降温至60℃以下脱模得到仿生三维波动结构复合材料7。
此外，本发明还提供一种纤维型仿生三维波动结构复合材料，通过如上所述的方法制备而成，仿生三维波动结构复合材料仿大齿猛蚁上颚波动结构，由不同铺层角的若干波动纤维层叠放铺设而成，而波动纤维层包括若干并列排布的波动纤维。
波动纤维的波动形为正弦弧形、圆弧形、椭圆弧形以及抛物线弧形中的一种。
之后，本发明采用航空复材国际试验标准ASTM/D7136/D7137检测复材板的低速抗冲击性能，分别采用45°铺层角普通复材11、45°铺层角仿生三维波动重合结构复材12、12°铺层角普通复材13、12°铺层角两面仿生三维波动梯度结构复材14来做对比试验。如图8所示，在遭受相同的冲击后，普通复材损伤程度远远大于本发明的仿生三维波动结构复合材料，因而测试结果表明：仿生三维波动结构复合材料能够减小复合材料的损伤程度，在冲击碰撞中有效地提高抗冲击性能。且又如图9所示，在遭受相同的冲击后，仿生三维波动结构复合材料整体形状未变，而普通复材已经发生较大的形变且各层间已发生分层现象，因而测试结果表明：仿生三维波动结构复合材料能够有效阻挡层间分层，避免整体破坏。再如图10所示，在遭受相同的冲击后，仿生三维波动结构复合材料13的冲击缺陷面积达到164.3平方毫米，相同工艺的普通复合材料14的冲击缺陷面积达到1102.9平方毫米，可以看出仿生三维波动结构复合材料较普通复合材料的冲击缺陷面积减少6.7倍。仿生三维波动结构能够改变冲击力大小并使裂纹扩展路径发生偏转，导致裂纹扩展路径增长，从而耗散更多的断裂能量，提高抗冲击性能，减少复合材料的损伤程度。
综上所述，本发明提供一种纤维型仿生三维波动结构复合材料及其制备方法，该仿生三维波动结构复合材料仿大齿猛蚁上颚三维波动纤维，将多条波动纤维并列排布，再由不同铺层角波动纤维层叠加铺设，即形成波动纤维表面；其制备方法是：首先，将单向纤维树脂基预浸料布剪裁、按照预设的铺设角依次叠放铺设，得到预浸料叠层；接着，将预浸料叠层放在仿生波动结构模具中，通过热压浸渍和固化装置进行热压浸渍和固化，最终得到仿生三维波动结构复合材料。本发明设计的复合材料及其制备方法能够提高现有的复合材料的抗冲击性能，增强复合材料层间结合强度，大幅减少复合材料的冲击缺陷面积，成形简单。
此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。

Claims (9)

1.一种纤维型仿生三维波动结构复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
对单向纤维树脂基预浸料布进行剪裁，得到多片预浸料裁剪布；所述单向纤维树脂基预浸料布是以热固型环氧树脂为基体，且树脂基体固化度为20％～60％的单向预浸料布；
将所述多片预浸料裁剪布按预设的铺层角依次叠放铺设，得到预浸料叠层；
将所述预浸料叠层放置在预设的仿生波动结构模具中，并在所述预浸料叠层与仿生波动结构模具的接触面均匀涂覆脱模剂；所述仿生波动结构模具是选用铝基材料和铣削加工工艺，仿制生物内层波动结构，将表面形貌加工成正弦曲线结构的平面或曲面三维模具；所述仿生波动结构模具包括上模具和下模具，所述上模具和所述下模具的波动表面为相同正弦曲线或不为相同正弦曲线或所述上模具和所述下模具之中仅存一个具备正弦曲面的波动表面；
对仿生波动结构模具中的所述预浸料叠层进行热压浸渍和固化；
在处于预设的气压和温度时，脱模得到仿生三维波动结构复合材料；
将两个仿生三维波动结构复合材料的波动面采用黏合剂粘接，形成两面平整中间具有仿生三维波动结构的复合材料；
其中，所述仿生三维波动结构复合材料仿大齿猛蚁上颚波动结构，由不同铺层角的若干波动纤维层叠放铺设而成，而所述波动纤维层包括若干并列排布的波动纤维。
2.如权利要求1所述的一种纤维型仿生三维波动结构复合材料的制备方法，其特征在于，对单向纤维树脂基预浸料布进行剪裁，得到多片预浸料裁剪布包括：
将单向纤维树脂基预浸料布剪裁为8～64片的预浸料裁剪布，各片所述预浸料裁剪布的厚度为0.02～0.25mm；
其中，所述纤维为碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、芳纶纤维以及超高分子量聚乙烯纤维中的一种。
3.如权利要求1所述的一种纤维型仿生三维波动结构复合材料的制备方法，其特征在于，将所述多片预浸料裁剪布按预设的铺层角依次叠放铺设，得到预浸料叠层包括：
依据对称铺层的铺设方式和预设的多个铺层角，将所述多片预浸料裁剪布依次铺贴得到预浸料叠层；
各铺层角满足如下公式：
[θ/θ+k/……/θ+nk]NS
其中，各铺层角按由上向下的顺序写出，各铺层角之间用“/”分开，全部铺层用[]括上，θ表示第一层预浸料裁剪布的铺层角为θ°，即为第一铺层的纤维轴向方向与第二铺层的纤维轴向方向之间的夹角；θ+k表示第二层预浸料裁剪布的铺层角为θ°+k°，k为预设的间隔角度，θ°≥0°，θ°+nk°≤180°；n表示除第一层之外的其他铺层个数，N表示连续重复铺层的次数，S表示对称铺贴。
4.如权利要求1所述的一种纤维型仿生三维波动结构复合材料的制备方法，其特征在于，
所述仿生波动结构模具满足以下公式：
Figure FDA0003615079610000021
其中，A为波幅，表示纵向拉伸/缩短的倍数(A＞0)，ω为角频率，即横向拉伸/缩短的倍数(ω＞0)，
Figure FDA0003615079610000022
为相位，
Figure FDA0003615079610000023
初相，即当x＝0时的相位，表示波形与X轴横向移动距离(向左
Figure FDA0003615079610000024
或向右
Figure FDA0003615079610000025
平行移动
Figure FDA0003615079610000026
个单位)；T为波长，即最小正周期T＝2π/|ω|，表示正弦函数曲线每相隔T个单位重复出现，K为波幅与波长的比值，K的取值范围为0.05～0.5。
5.如权利要求1所述的一种纤维型仿生三维波动结构复合材料的制备方法，其特征在于，对仿生波动结构模具中的所述预浸料叠层进行热压浸渍和固化包括：
将放置有所述预浸料叠层的仿生波动结构模具设置于热压浸渍和固化装置上；
通过所述装置进行热压浸渍，此时所述装置控制温度从室温升至80～100℃，提供的挤压力为1～5MPa，保压40～60min；
通过所述装置进行热压固化，此时所述装置控制温度升至120～130℃，提供的挤压力为1～10MPa，保压50～90min。
6.如权利要求1所述的一种纤维型仿生三维波动结构复合材料的制备方法，其特征在于，所述预设的气压和温度分别为常压和60℃以下。
7.如权利要求1-6任一项所述的一种纤维型仿生三维波动结构复合材料的制备方法，其特征在于，在处于预设的气压和温度时，脱模得到仿生三维波动结构复合材料之后，还包括：
将仿生三维波动结构复合材料的波动面采用硬材料或软材料填充粘接，形成表面平整的仿生三维波动结构复合材料。
8.如权利要求7所述的一种纤维型仿生三维波动结构复合材料的制备方法，其特征在于，
所述黏合剂是环氧树脂黏合剂、酚醛树脂黏合剂、聚氨酯树脂黏合剂中的一种；
所述硬材料是刚性环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂材料中的一种；
所述软材料是柔性树脂、橡胶、碳纤维、芳纶纤维材料中的一种。
9.一种纤维型仿生三维波动结构复合材料，通过如权利要求1-8任一项所述的方法制备而成，其特征在于，所述波动纤维的波动形为正弦弧形、圆弧形、椭圆弧形以及抛物线弧形中的一种。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115353405B (zh) * 2022-09-19 2023-02-10 陕西美兰德炭素有限责任公司 一种高强度碳/碳紧固件的制备方法
CN115635700B (zh) * 2022-10-10 2023-03-28 廊坊市飞泽复合材料科技有限公司 一种基于湿法模压工艺的复合材料及模具的开发方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109648943A (zh) * 2018-12-28 2019-04-19 吉林大学 一种仿生复合材料及其制备方法
CN111806036A (zh) * 2020-07-11 2020-10-23 吉林大学 具有高抗冲击性能的仿生纤维增强复合材料及其制备方法
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CN112810258A (zh) * 2021-01-15 2021-05-18 吉林大学 一种纤维螺旋铺排仿生抗冲击复合材料及其制备方法
CN112829413A (zh) * 2021-01-04 2021-05-25 吉林大学 一种仿腔棘鱼鳞片结构与功能的纤维复合材料

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109648943A (zh) * 2018-12-28 2019-04-19 吉林大学 一种仿生复合材料及其制备方法
CN111806036A (zh) * 2020-07-11 2020-10-23 吉林大学 具有高抗冲击性能的仿生纤维增强复合材料及其制备方法
CN112409618A (zh) * 2020-11-13 2021-02-26 清华大学深圳国际研究生院 一种单向热固性芳纶纤维复合材料及制备方法
CN112829413A (zh) * 2021-01-04 2021-05-25 吉林大学 一种仿腔棘鱼鳞片结构与功能的纤维复合材料
CN112810258A (zh) * 2021-01-15 2021-05-18 吉林大学 一种纤维螺旋铺排仿生抗冲击复合材料及其制备方法

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